活性炭在超级电容器中的应用1

智能洗衣机，冰箱 保护设定数据不丢失 电饭锅，微波炉 照相机 电子记事本 打字机 停电时,计时器的备用电源
更换电池存储器的备用电源,闪光灯充电时稳定电路 0.022～1.0F 电压 更换电池期间保持存储器信息 瞬间掉电和更换电池时存储器的备用电源 0.022～1.0F 0.47～1.0F
背
电子装置 电动玩具 汽车音响 出租车计程器 打卡机 光盘刻读机 充电式数字万用表 有线电视 电梯 系统板 作为起动电源或补充电源 使用目的 1.0～4.7F 0.47～1.0F 0.1～0.47F 0.47～2.2F 0.1～1.0F 0.47—2.2F
研究进展
日本电子实现了利用纳米门· 碳技术的独家碳素材料，于 2003年10月发表了能量密度大幅提高的电容器。 日本电子的电容器开发子公司高级电容器技术（ACT） 公司经营管理部长江口 纯一解释说：“通过采用制造方法与 分子结构与原来完全不同的碳，使得单位面积的能量密度
达到原来活性碳的10倍左右。”受这一消息的影响，日本电
子的股价连续5天涨停。
研究进展
日本电子的目标是在2006年度达到50亿日 元的业务规模，而动力系统则计划将业务规 模到2007年度提高到100亿日元以上。
设备
设备
设备
若，EF=0.95, Pef/Pmi=0.19
• 密度 F/g • 其它
研究的目的
电化学性能良好的多孔炭材料
• 比表面积大 • 孔结构可控或基本可控
• 官能团的可选择性
• 良好的导电性能
研究思路
合成工艺
结构 前驱体 性能
研究思路
结 构
研究思路
ECUST
研究思路—原料选择
前驱体的选择
– 能够形成乱层结构
表面积
电化学电容器对多孔炭材料的要求
孔结构（孔径、形状）
电化学电容器对多孔炭材料的要求
孔结构
电化学电容器对多孔炭材料的要求
赝电容 表面润湿性 位阻效应
稳定性 表面官能团（润湿性、赝电容）
电化学电容器对多孔炭材料的要求
• 导电性 50％
Pmi=V2oc/4Rb Pef/=EF(1-EF) V2oc/4Rb
煤的结构
本田两相模型
研究思路—煤基活性炭材料
煤炭活化机理
煤的结构
本田化学结构模型
研究思路—煤基活性炭材料
煤炭活化机理
煤的结构
威斯(Wiser)化学结构模型
电容器的组装
1. 活性炭＋导电材料＋粘结剂
2. 封装
成型
3. 灌电解质
4. 加压封装
Andrew Burke Journal of Power Sources 91(2000)37–50
研究进展
“Nanogate”
研究进展
电容器向快速充电与大功率电池迈进
http://www.battery.com.cn/news/11_1913.பைடு நூலகம்tml
充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个 半小时.在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览 会“CEATEC JAPAN”上，这种快速充电的演示成 了人们关心的话题。 一般笔记本电脑的充电电池要充满电至少需要 1个小时。但“电双层电容器”却大幅缩短了这 一时间。可半永久性使用无需更换。
– 研究无机组分对活性炭及其电化学性能的影响
– 通过调节无机组分控制孔径
– 微波辐射法消除表面官能团
– 无机组分调节表面官能团
研究思路—煤基活性炭材料
煤炭活化机理的研究
从煤的显微组分入手
研究思路—煤基活性炭材料
煤炭活化机理
煤的结构
希尔施(Hirsch)物理结构模型
研究思路—煤基活性炭材料
煤炭活化机理
文献综述
– 用于电化学电容器电极材料的研究少 – 脱灰工艺复杂、污染大 – 无机组分对电极材料性能的影响研究少 – 孔径控制难，比表面积不能充分利用 – 表面含氧官能团导致漏电、自放电严重 – 炭化、活化机理 不清楚
研究思路—煤基活性炭材料
拟采取制备工艺（创新点）
– 采用最新的选矿方法—电选法脱灰
分解电压、离子直径、导电性
水溶液、有机溶液、凝胶高分子电解质
• 内阻
电极、电解质、界面等
电化学电容器电极材料
过渡金属氧化物
优势 ：
比电容高 α-RuO2 · nH2O可达698F/g
不足：
比表面积
钌的价格
电化学电容器电极材料
导电聚合物
优势：
有良好性、内阻小、比容量大 如：聚苯胺(PANI) 1000F/g、聚吡咯和聚噻吩335F/g
• 炭气凝胶 Carbon Gel
• 泡沫炭 Carbon Foam
• 炭纳米管 Carbon Nanotube CNT
• 玻璃炭 Carbon Glass
Carbon Nanotube Activated carbon fiber
多孔炭材料
ECUST
电化学电容器对多孔炭材料的要求
Q=1/2CV E=QV=1/2CV2
– 材料来源广
– 价格低
– 无污染
研究思路—原料选择
树 脂
组成稳定
煤
组成不稳定
灰分小
价格较高
灰分高
价格低
研究较多
研究少
研究思路—制备工艺
• 活性炭材料制备原则工艺
（固化） 炭化 活化
• 活性炭材料活化方法
− 物理活化法 − 化学活化法
前驱体的选择
优 势 价格低 资源丰富
缺 点 灰分高 煤质多变
0.047～0.1F 0.47～4.7F 0.047～1.0F
更换电源电压波动期间，作为装用CMOS微处理器、 SRAM、 DRAM的PC板的备用电源
可编程控制器
太阳能驱动装置
更换电池时存储器的备用电源（电池备用电源支持系统）， 掉电期间作为存储器备用电源（电容备用电源支持系统） 0.047～2.2F 无光照系统的工作电源 1.0～4.7F
器功率密度大、充电电池能量密度高的优点，可
快速充放电，而且寿命长，是一种新型、高效、
实用的能量储存装置。
背
景
Kö tz and M. Carlen, Electrochimca Acta, 45, 2483, (2000)
背
景
放置
电化学电容器与电池、常规电容器的比较
ECUST
电化学电容器与电池的比较
掉电期间缩位和重拔.、重播存储器信息的备用电源 0.22～1.0F 掉电期间语音存储器的备用电源 电话摘机时放出大电流,维持良好使用状态 更换电池期间保持存储器信息 0.47～2.2F 0.1～1.0F 0.02～0.22F
预调谐器的备用电源,停机或掉电时保持音量， （声频 0.47～1.0F 系统）VCD 位置状态 瞬间掉电或暂时关闭电源时，保持颜色平衡存储器的 0.022～0.47F 内容 0.047～1.0F 0.022～0.22F
不足：
稳定性
电化学电容器电极材料
多孔炭
根据双电层原理，电极表面的双电
层电容约为20μF/cm2。若采用比表面积
为1000cm2/g的活性炭做电极材料，可获 得的比容量为200F/g
碳
ECUST
多孔炭材料
• 活性炭 Activated Carbon AC
• 活性炭纤维 Activated Carbon Fiber ACF
电化学电容器电极材料 的制备与性能
张传祥
河南理工大学
提
• 背景
• 电化学电容器基本原理
纲
• 电化学电容器的应用
• 炭材料电极 • 研究进展
背
景
电化学超级电容器（Electrochemical Supercapacitor ESC） 是近年来出现的一种新型能源器件，与常规 电容器不同，其容量可达法拉级甚至数千法拉， 因此享有“超级电容器”之称。它兼有常规电容
卫星电视接收机
频道存储器的备用电源
0.047～0.47F
背
景
中介产品，弥补电池与电容不足 应用范围宽，规格品种多，市场大于电池
背
景
节能
环保 可持续发展
和谐社会
化学电容器基本原理
双电层
ECUST
化学电容器基本原理
氧
化
物
化学电容器基本原理
导电聚合物
影响电化学电容器性能的因素
• 电极材料
• 电解质
景
推荐规格
更换蓄电池时,数字调谐器的备用电源。汽车启动时,稳定电 路电压
在更换电池或修理计程器时,计程器数和累加累用存储信息 的支持电源 掉电后数据存储保护并且能够维持操作(取出正在使用中的 信用卡) 在瞬间掉电或暂关电源时保护存储内容不丢失 替代电池使用后作为电源 DTS、IC的备用电源，可保证掉电期间其存储的电视频道， 计时器记录及时钟内容不丢失 存储记忆设定的数据
ECUST
电化学电容器与电池的比较
背
景
ECUST
背
景
使用超级电容器和燃料电池的本田汽车 2002年进入美国日本市场
背
景
背
景
8吨混合动卡车减少 燃料消耗50％，氮氧 化物排放44％，微粒 排放65％。可行驶60 万公里，10年寿命。
15吨天然气发动机－超 级电容器串联混合动力 Bus。能量效率是纯CNG汽 车的2.66倍。
研究思路—树脂基活性炭材料
树脂基活性炭材料孔结构控制方法
– 催化法
– 共混法
– 模板法
各有优缺点
研究思路—树脂基活性炭材料
拟采取制备工艺路线
热稳定树脂 共混 热分解树脂 炭化
研究思路—树脂基活性炭材料
文献综述
– 原料选择少
– 对炭化工艺研究多，共混树脂的性能研究少
– 对结构仍不能有效控制
研究思路—煤基活性炭材料
化学电容器的组装与产品
ECUST
ECUST
ECUST
背
景
我国工业化超级电容器样品
背
电子装置 使用目的 推荐规格
景
智能燃气表 复费率电度表 多功能电话机 数字应答机 卡式电话 移动电话传呼机 家庭影院 摄录一体机
保持存储器数据和电磁阀开闭的备用电源 时钟及存储器数据保持的备用电源
0.47～1.0F 0.022～1.0F